針對 EMI 設(shè)計 PCB，第 1 部分：信號如何移動

在幫助客戶使其產(chǎn)品符合 EMI 要求后，我發(fā)現(xiàn)了一個根本問題：印刷電路板設(shè)計不佳。根據(jù)我的經(jīng)驗，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計人員會遇到因印刷電路板設(shè)計不良而導(dǎo)致的問題。當板載能源破壞敏感的接收器電路時，不良的設(shè)計可能會導(dǎo)致無限的延遲，從而導(dǎo)致蜂窩合規(guī)性失敗。 GPS 和 Wi-Fi 接收器也會失去靈敏度。

在第 1 部分中，您將了解信號如何通過 PCB 走線移動以及電磁場如何影響該移動。在第 2 部分中，我將對比好 PCB 疊層和差 PCB 疊層之間的差異。第 3 部分介紹信號布線和電路板分區(qū)，您將在第 4 部分中找到有關(guān)分區(qū)的更多詳細信息。

造成不良 EMI 設(shè)計的因素有很多。這些包括：

· 將噪聲電路(例如電源和電機轉(zhuǎn)換)與數(shù)字和敏感模擬電路混合在一起。

· 將時鐘驅(qū)動器放置得太靠近板邊緣或敏感電路。

· 不良走線會導(dǎo)致串擾。

· 運行時鐘(或高速)在返回平面的間隙/槽上進行跟蹤。

· 最重要的是，不正確的層堆疊。

我已經(jīng)解決了返回平面間隙上交叉時鐘走線的問題(參考文獻 1、2)。然而，修復(fù)有關(guān)層堆疊的最后一項通常可以糾正許多問題，包括列表中的許多其他項目。

在參加大學(xué)電路課程時，我們大多數(shù)人都被錯誤地教導(dǎo)了直流和交流電流如何在集總或分布式(傳輸線)電路中工作。在我們的“場和波”課程中，我們不太可能接受有關(guān)電路板設(shè)計或通過電路板的信號傳播的實際應(yīng)用的指導(dǎo)。事實上，這兩個概念(電路和場)在通過微帶線或帶狀線傳播數(shù)字信號時一起工作(互補)。

在了解信號如何在 PC 板中傳播之前，您必須首先了解一些物理原理。

我們都被告知“電流”是銅中電子的流動。這很接近事實，只是我們傾向于認為是正電流——缺少電子，通常稱為“空穴”。然而，電子和它們留下的“空穴”(正電荷)移動速度非常緩慢。

當然，對于直流電路來說，這種電流流動是正確的(初始電池連接瞬態(tài)除外)。但對于交流(或射頻)電路或開關(guān)模式電源的“直流”輸出(帶有瞬態(tài))，我們需要了解所有連接線/跡線現(xiàn)在都必須被視為傳輸線。

首先，讓我們考慮一下電容器如何允許電子流動。畢竟，這不是去耦電容器的工作原理嗎?參考圖 1，如果我們將電池應(yīng)用于電容器，則施加到頂板上的任何正電荷都會排斥底板上的正電荷，留下負電荷。如果我們向電容器施加交流電源，您可能會假設(shè)電流流過電介質(zhì)，這是不可能的。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)將這種現(xiàn)象稱為“位移電流”，其中正電荷僅取代相對板上的正電荷，留下負電荷，反之亦然。該位移電流定義為dE / dt(電場隨時間變化)。

圖 1通過電容器的位移電流的概念。

您還應(yīng)該意識到，由于銅分子的原子鍵非常緊密，電子和帶正電的空穴在銅中的運動速度并不接近光速，而是以約 1 厘米/秒的速度運動(參考文獻 4) 。當然存在自由電子和空穴云，但它們在分子之間緩慢移動。這稱為傳導(dǎo)電流，我們可以用電流表測量。傳導(dǎo)電流與 B 場的切向分量有關(guān)，即旋度 B = J。

銅分子中的一個電子對其鄰近電子(以及沿著傳輸線)的影響以介電材料中電磁場的速度傳播。換句話說，搖動微帶一端的一個電子，它就會搖動下一個電子，再搖動下一個電子，依此類推，直到搖動末端的最后一個電子。這種晃動在電場中被稱為扭結(jié)，可以想象為牛頓搖籃玩具，這是一種機械類比，其中第一個球撞擊下一個球，最終從末端球彈出(圖 2)。

圖 2牛頓擺，這是一個類比，用于演示電場從一個電子傳播到下一個電子時電場中的“扭結(jié)”。

現(xiàn)在讓我們考慮一個數(shù)字信號，其波前以大約半光速(在 FR4 電介質(zhì)中大約為 6 英寸/納秒)沿著相鄰接地返回平面 (GRP) 上的簡單微帶移動，如圖3所示。

圖 3數(shù)字信號(電磁波)穿過微帶線和接地參考平面 (GRP) 之間的介電空間。

下一個認識(需要掌握的事情)是數(shù)字信號的電磁場在電介質(zhì)空間中傳播，而不是在銅中。銅僅“引導(dǎo)”電磁波(參考文獻 5 和 6)。

當信號(電磁波)首次施加在微帶線和 GRP 之間時，它開始沿著微帶線在相鄰 GRP 上形成的傳輸線傳播。存在傳導(dǎo)電流和位移電流(穿過電介質(zhì))的組合。

當電磁波傳播時，所有令人興奮的“EMI 事物”都發(fā)生在波前。在該時刻，無論此時施加的電壓是多少，初始波前后面的電場都是穩(wěn)定的，并且初始波前前面的電場為零。信號的快速上升或下降時間包含所有諧波能量，這就是產(chǎn)生 EMI 的原因。

如果負載阻抗等于傳輸線的特征阻抗，則電磁波不會反射回源。然而，如果存在不匹配，就會有反射的電磁場傳播回源。實際上，大多數(shù)真實的數(shù)字信號都會有多次反射同時通過傳輸線來回移動。這些傳播波的過渡區(qū)(上升時間或下降時間)可能會產(chǎn)生 EMI。

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了信號如何在電路板中移動，在 PC 板設(shè)計方面有兩個非常重要的原則：

1. PC 板上的每條信號和電源走線(或平面)都應(yīng)被視為傳輸線。

2. 傳輸線中的數(shù)字信號傳播實際上是銅跡線和 GRP 之間空間中電磁場的運動。

要構(gòu)建傳輸線，您需要兩塊相鄰的金屬來捕獲或包含磁場。例如，鄰近 GRP 上方的微帶線、鄰近 GRP 的帶狀線或鄰近 GRP 的電源跡線(或平面)。例如，在電源和接地參考平面之間放置多個信號層將導(dǎo)致快速信號出現(xiàn)真正的 EMI 問題。遵守這兩條規(guī)則將決定層的堆疊。

換句話說，每個信號或電源走線(路由電源)必須有一個相鄰的 GRP，并且所有電源層都應(yīng)該有一個相鄰的 GRP。多個 GRP 應(yīng)通過縫合過孔矩陣連接在一起。

如果通過間隙或槽切斷 GRP 中的傳導(dǎo)電流路徑，我們就會開始在整個電介質(zhì)空間中出現(xiàn)電磁場“泄漏”，這會導(dǎo)致電路板的邊緣輻射并通過通孔交叉耦合到其他電路-到-過孔耦合。當我們通過多個接地參考或電源層傳遞信號時，如果沒有相鄰的縫合過孔或縫合電容器(將 GRP 連接到電源層)，也會發(fā)生這種情況。